Introduzione alla chimica

Termini

• fermione Una particella con stati quantistici totalmente antisimmetrici. Hanno spin semi-intero e includono molte particelle elementari.
• elettrone La particella subatomica avente una carica negativa e orbitante attorno al nucleo; il flusso di elettroni in un conduttore costituisce elettricità.
• bosone Una particella con stati quantistici totalmente simmetrici. Hanno spin intero e includono molte particelle elementari, e alcune (bosoni di gauge) sono note per trasportare le forze fondamentali.

Il principio di esclusione di Pauli, formulato dal fisico austriaco Wolfgang Pauli nel 1925, afferma che due fermioni dello stesso tipo non possono occupare simultaneamente lo stesso stato quantistico. Più tecnicamente, afferma che la funzione d’onda totale per due fermioni identici è antisimmetrica rispetto allo scambio delle particelle. Ad esempio, non esistono due elettroni in un singolo atomo che possono avere gli stessi quattro numeri quantici; se n, ℓ e mℓ sono uguali, ms deve essere diverso in modo che gli elettroni abbiano spin opposti.

Il principio di esclusione di Pauli governa il comportamento di tutti i fermioni (particelle con spin semi-intero), mentre i bosoni (particelle con spin intero) non sono soggetti ad esso. I fermioni includono particelle elementari come i quark (le particelle costituenti di protoni e neutroni), elettroni e neutrini. Inoltre, protoni e neutroni (particelle subatomiche composte da tre quark) e alcuni atomi sono fermioni e sono quindi soggetti anche al principio di esclusione di Pauli. Gli atomi possono avere spin complessivo diverso, che determina se sono fermioni o bosoni: per esempio, l’elio-3 ha spin 1/2 ed è quindi un fermione, a differenza dell’elio-4 che ha spin 0, rendendolo un bosone. In quanto tale, il principio di esclusione di Pauli è alla base di molte proprietà della materia quotidiana, dalla stabilità su larga scala al comportamento chimico degli atomi, inclusa la loro visibilità nella spettroscopia NMR.

Spin semintero indica il valore intrinseco del momento angolare dei fermioni è \ hbar = \ frac {h} {2 \ pi} (costante di Planck ridotta) per un mezzo intero (1/2, 3/2, 5/2, ecc.). Nella teoria della meccanica quantistica, i fermioni sono descritti da stati antisimmetrici. Al contrario, le particelle con spin intero (bosoni) hanno funzioni d’onda simmetriche; a differenza dei fermioni, i bosoni possono condividere gli stessi stati quantistici. I bosoni includono il fotone, le coppie di Cooper (responsabili della superconduttività) e i bosoni W e Z. I fermioni prendono il nome dalla distribuzione statistica di Fermi-Dirac a cui obbediscono, ei bosoni prendono il nome dalla distribuzione di Bose-Einstein.

Il principio di esclusione e i fenomeni fisici

Il principio di esclusione di Pauli spiega un’ampia varietà di fenomeni fisici. Una conseguenza particolarmente importante del principio è l’elaborata struttura a guscio elettronico degli atomi e il modo in cui gli atomi condividono gli elettroni. Spiega la varietà di elementi chimici e le loro combinazioni chimiche. Un atomo elettricamente neutro contiene elettroni legati in numero uguale ai protoni nel nucleo. Gli elettroni, essendo fermioni, non possono occupare lo stesso stato quantistico, quindi gli elettroni devono “impilarsi” all’interno di un atomo: hanno spin diversi mentre si trovano nello stesso punto.

Un esempio è l’atomo di elio neutro, che ha due elettroni legati, che possono entrambi occupare gli stati a energia più bassa (1s) acquisendo spin opposto. Poiché lo spin fa parte dello stato quantistico dell’elettrone, i due elettroni si trovano in stati quantistici diversi e non violano il principio di esclusione di Pauli. Tuttavia, ci sono solo due spin distinti valori per un dato stato energetico. Questa proprietà impone quindi che un atomo di litio, che ha tre elettroni legati, non possa avere il suo terzo residuo di elettroni e nello stato 1s; deve invece occupare uno degli stati di energia superiore 2s. Allo stesso modo, elementi successivamente più grandi devono avere gusci di energia successivamente più elevata.Poiché le proprietà chimiche di un elemento dipendono in gran parte dal numero di elettroni nel guscio più esterno, gli atomi con un numero diverso di gusci ma lo stesso numero di elettroni nel guscio più esterno si comportano ancora in modo simile. Per questo motivo, gli elementi sono definiti dai loro gruppi e non dai loro periodi.